S型碳纖維褶皺夾芯結(jié)構(gòu)低速?zèng)_擊響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)研究

鄧云飛，周楠，田銳，魏剛

中國(guó)民航大學(xué) 航空工程學(xué)院，天津 300300

先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)憑借其比強(qiáng)度和比剛度大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)多功能化等優(yōu)勢(shì)已成為航空、航天與交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的理想材料?？箾_擊性能是很多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素，而傳統(tǒng)的單層板結(jié)構(gòu)無(wú)法兼顧結(jié)構(gòu)輕量化及防護(hù)性能的要求。因此具有一系列優(yōu)點(diǎn)的復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)得到了科研人員的極大關(guān)注。

夾芯結(jié)構(gòu)是一種由面板、芯體及面-芯膠層組成的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，根據(jù)芯體結(jié)構(gòu)不同，可將其分為蜂窩夾芯、波紋夾芯、點(diǎn)陣夾芯和褶皺夾芯等。蜂窩夾芯是當(dāng)前應(yīng)用廣泛且成熟的結(jié)構(gòu)，其面外壓縮和沖擊性能優(yōu)異，且具有良好的隔熱、隔音性能。但蜂窩結(jié)構(gòu)封閉的單胞易導(dǎo)致水汽凝結(jié)，使結(jié)構(gòu)重量增加并破壞面-芯粘接，這些不利因素極大地限制了蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。因此褶皺夾芯結(jié)構(gòu)引起了研究者的關(guān)注。相較于蜂窩結(jié)構(gòu)，褶皺夾芯結(jié)構(gòu)褶皺芯層特有的開(kāi)放性空腔非常適合空氣、冷凝液的流通，并且還可以布線、傳熱，滿足實(shí)際應(yīng)用中多功能性的要求。褶皺夾芯結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)改變芯層折疊規(guī)律，從而獲得不種形式的芯子。此外通過(guò)優(yōu)化褶皺夾芯結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和結(jié)構(gòu)，可使其力學(xué)性能優(yōu)于蜂窩結(jié)構(gòu)。

近年來(lái)，隨著復(fù)合材料制備工藝的成熟和夾芯結(jié)構(gòu)研究的深入，褶皺夾芯結(jié)構(gòu)以其優(yōu)良的力學(xué)性能及多功能應(yīng)用潛力成為輕質(zhì)防護(hù)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。褶皺夾芯結(jié)構(gòu)作為新型吸能單元，具有優(yōu)良的抗沖擊性能。Basily和Elsayed通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)褶皺夾芯結(jié)構(gòu)在3個(gè)方向上均能保持較好的能量吸收能力，在相同沖擊條件下，V型褶皺夾芯結(jié)構(gòu)的單位體積能量吸收優(yōu)于蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)。Heimbs等對(duì)褶皺夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試了V型褶皺夾芯結(jié)構(gòu)的靜態(tài)力學(xué)性能及抗沖擊性能，指出由于內(nèi)部折疊芯體的高剛度，上面板的彎曲變形非常有限，阻礙了分層損傷在相鄰單元的傳播。芳綸紙芯子具有極高的韌性，而碳纖維芯子則表現(xiàn)出極高的比剛度和比強(qiáng)度。Gattas和You通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的方法對(duì)比了鋁合金直折痕芯體和彎曲折痕芯體在低速?zèng)_擊下的吸能特性，發(fā)現(xiàn)彎曲折痕芯體明顯更優(yōu)，原因在于彎曲折痕結(jié)構(gòu)漸進(jìn)的圓柱板屈曲破壞模式耗能更高。Kilchert等研究了M型褶皺夾芯板在低速?zèng)_擊下的響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)沖頭的大部分動(dòng)能被芯體吸收，其原因在于芯體的變形和損傷程度比面板高。另外芯體退化和摩擦對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)的能量吸收起重要作用。Klaus等研究了M型褶皺夾芯板沖擊后的剩余強(qiáng)度，指出沖擊造成的損傷和變形量與受損樣品的彎曲強(qiáng)度之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性；即使沖擊僅造成細(xì)微損傷，也能顯著地降低此類(lèi)結(jié)構(gòu)的彎曲強(qiáng)度。張培文等以后面板最大撓度作為抗爆性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了折疊芯夾芯梁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)曲邊蜂窩夾芯梁的能量吸收略高于直邊蜂窩夾芯梁，原因在于芯層壁面為曲邊時(shí)初始折角對(duì)蜂窩芯體的塑性屈曲有引導(dǎo)作用，使芯層可更早發(fā)生漸進(jìn)壓縮，產(chǎn)生較大塑性變形實(shí)現(xiàn)能量耗散。王濤設(shè)計(jì)并制備了平面褶皺雙層芯體的橄欖形夾芯結(jié)構(gòu)，通過(guò)低速?zèng)_擊實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)具有明顯雙載荷峰值情況，第2載荷峰值會(huì)隨芯子密度的提升而增大。

褶皺夾芯結(jié)構(gòu)近年來(lái)發(fā)展迅速，相較于傳統(tǒng)防護(hù)結(jié)構(gòu)具有高比強(qiáng)度和比剛度、隔音隔熱性能好、易于實(shí)現(xiàn)多功能化等諸多應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，而結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能更是其應(yīng)用所需考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。目前，褶皺夾芯結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究多采用數(shù)值仿真方法，缺少動(dòng)態(tài)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究。特別地，褶皺夾芯板性能主要由內(nèi)部芯體構(gòu)型決定，而S型碳纖維褶皺夾芯板作為新型結(jié)構(gòu)，其抗沖擊性能研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，先以模壓法制備S型碳纖維褶皺芯子，再通過(guò)二次膠接工藝制得S型碳纖維褶皺夾芯板。采用直徑20 mm的柱形沖頭以不同能量沖擊褶皺夾芯板節(jié)點(diǎn)位置和基座位置，探討S型碳纖維褶皺夾芯板在低速?zèng)_擊下的損傷機(jī)制和吸能特性。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 褶皺芯子構(gòu)型設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)夾芯結(jié)構(gòu)多為蜂窩夾芯，如圖1(a)所示。蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)平壓性能優(yōu)異，但其封閉的芯子單胞導(dǎo)致內(nèi)部水分難以排出，增加了結(jié)構(gòu)重量，水分反復(fù)地冷凍/解凍易使結(jié)構(gòu)失效，而V型褶皺夾芯結(jié)構(gòu)從構(gòu)型上解決了蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)積水的問(wèn)題。V型褶皺夾芯結(jié)構(gòu)開(kāi)放的內(nèi)腔使其具有優(yōu)良的散熱性能和流通性能，既可排出結(jié)構(gòu)內(nèi)的水分、減輕結(jié)構(gòu)重量，又帶走了由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部元器件工作產(chǎn)生的熱量，是蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)潛在的替代品。但隨著研究的深入，V型褶皺夾芯結(jié)構(gòu)的兩個(gè)缺陷也逐步被發(fā)現(xiàn)。

一方面，V型褶皺夾芯結(jié)構(gòu)沒(méi)有解決芯子與面板之間線-面粘接的問(wèn)題，粘接面積過(guò)小導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在承受彎曲、剪切和沖擊等載荷時(shí)易發(fā)生面-芯之間的脫粘而過(guò)早失效，無(wú)法發(fā)揮芯子的構(gòu)型優(yōu)勢(shì)；另一方面，在芯子棱線處缺少圓弧過(guò)渡，材料在棱線處彎折導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力學(xué)性能變差。此外，在結(jié)構(gòu)承載時(shí)芯子壁面拐角處易形成應(yīng)力集中。因此可能導(dǎo)致V型褶皺夾芯結(jié)構(gòu)承載時(shí)在材料性能最弱部位反而應(yīng)力峰值最大，從而影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，在結(jié)構(gòu)作為承力部件時(shí)極大降低結(jié)構(gòu)的可靠性，如圖1(b)所示?；谏鲜龇治觯瑢?duì)V型褶皺夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將V型褶皺夾芯結(jié)構(gòu)芯子單胞的直線過(guò)渡轉(zhuǎn)變?yōu)榍€過(guò)渡，從而得到S型褶皺結(jié)構(gòu)，如圖1(c)所示。

圖1 不同夾芯結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.1 Comparison of different sandwich structures

對(duì)V型褶皺夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，即整體曲面化處理。以V型褶皺芯子的一個(gè)單胞棱線為例，將兩條直線改為圓弧相接，且考慮單胞和單胞之間同樣要求平滑圓弧連接。將一個(gè)單胞棱線均分為4段，每段棱線以60°圓心角對(duì)應(yīng)的圓弧對(duì)接。優(yōu)化后各單胞圓滑連接，解決了材料彎折及應(yīng)力突變的問(wèn)題，如圖2(a)步驟①所示。針對(duì)V型褶皺夾芯結(jié)構(gòu)面-芯容易脫粘的問(wèn)題，將芯子頂部棱線平移一段距離，從而形成與面板面-芯子面接觸的頂部平臺(tái)，增大粘接面積，如圖2(a)步驟②所示。通過(guò)兩步優(yōu)化設(shè)計(jì)得到S型褶皺芯子單胞，如圖2(b) 所示。

圖2 S型褶皺芯子優(yōu)化過(guò)程及單胞Fig.2 S-shaped folded core optimization process and unit cell

表1列出了褶皺芯子所采用的幾何參數(shù)，通過(guò)給定參數(shù)可近似推導(dǎo)單胞質(zhì)量：

表1 褶皺芯子參數(shù)Table 1 Parameters of folded core

(1)

式中：為材料密度。

同理，考慮整個(gè)褶皺夾芯結(jié)構(gòu)的單位面積質(zhì)量為

(2)

1.2 褶皺夾芯結(jié)構(gòu)制備

夾芯板的面板和芯子均使用Solvay公司生產(chǎn)的平紋編織碳纖維預(yù)浸料(CYCOM97714A/PWC T300 3K ST)，單層預(yù)浸料厚度為0.25 mm。面板鋪層順序?yàn)閇0°/90°/90°/0°]，芯子鋪層順序?yàn)閇45°/-45°/-45°/45°]，厚度均為1 mm。面-芯之間的粘接選用同為Solvay公司生產(chǎn)的改性環(huán)氧薄膜膠粘劑(METLBOND1515-4M)。

芯子由模壓成型工藝制得，如圖3(a)所示。首先，將模具預(yù)熱至60 ℃，將鋪貼完成的預(yù)浸料平鋪于下模具上，將條狀上模具依次壓入下模具的凹槽內(nèi)，通過(guò)兩側(cè)螺栓施加壓力；然后，將模具放入烘箱，加熱固化；最后，降溫脫模得到S型碳纖維褶皺芯子，工藝流程如圖3(b)所示。

圖3 褶皺芯子的制備Fig.3 Fabrication of folded core

面板由真空袋成型工藝制得，如圖4所示。面板上下加金屬均壓板以保證其受壓均勻，利用熱補(bǔ)儀調(diào)控電熱毯按照固化曲線升溫。此外實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度及袋內(nèi)真空度，固化全過(guò)程開(kāi)啟壓氣機(jī)以保證真空袋內(nèi)真空度恒定，預(yù)浸料在達(dá)到固化溫度后先保溫90 min，再降溫得到面板，具體固化曲線如圖5所示。最終使用環(huán)氧薄膜膠粘接面板與芯層，并通過(guò)二次固化得到S型碳纖維褶皺夾芯結(jié)構(gòu)。

圖4 面板制備工藝Fig.4 Panel preparation process

圖5 固化曲線Fig.5 Curing curves

1.3 沖擊實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)在Instron 9350落錘試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，主體沖擊結(jié)構(gòu)由配重塊、機(jī)架、傳感器和沖頭組成，沖擊質(zhì)量為10.64 kg，落錘試驗(yàn)機(jī)如圖6所示。沖頭直徑為20 mm，頭部形狀為平頭。

圖6 落錘試驗(yàn)機(jī)Fig.6 Drop weight testing machine

實(shí)驗(yàn)保證沖擊結(jié)構(gòu)總質(zhì)量不變，通過(guò)改變下落速度調(diào)控不同的沖擊能量。共進(jìn)行5組能量的沖擊實(shí)驗(yàn)，沖擊能量分別為30、50、100、150、200 J。

單個(gè)褶皺夾芯板試件尺寸約為130 mm×122 mm×22 mm，包含4×3個(gè)完整的單胞，在試驗(yàn)機(jī)上用兩個(gè)內(nèi)徑為76 mm的圓環(huán)夾緊，預(yù)夾持力為0.6 MPa。節(jié)點(diǎn)(波峰)指芯體頂部平臺(tái)和面板膠接部位，節(jié)點(diǎn)沖擊指沖頭沖擊此部位，如圖7(a)所示；基座(波谷)沖擊指沖頭沖擊兩節(jié)點(diǎn)間面板無(wú)支撐的長(zhǎng)跨距中心，如圖7(b)所示。節(jié)點(diǎn)與基座兩個(gè)沖擊位置分別以SCS-A和SCS-B表示。

圖7 夾芯板沖擊位置Fig.7 Impact positions of sandwich panel

低能量沖擊時(shí)會(huì)出現(xiàn)沖頭無(wú)法擊穿夾芯板發(fā)生反彈的情況，落錘試驗(yàn)機(jī)的防回落裝置可以防止反彈沖頭的二次沖擊。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 褶皺夾芯板沖擊失效機(jī)制分析

表2給出了落錘沖頭以不同能量沖擊節(jié)點(diǎn)位置時(shí)夾芯板的損傷形貌，可見(jiàn)沖擊能量對(duì)夾芯板的損傷模式具有顯著影響。當(dāng)沖擊能量為30 J時(shí)，上面板產(chǎn)生形狀規(guī)則的圓形沖孔，孔徑的大小為20 mm，與沖頭直徑一致。上面板的穿透破壞呈脆性斷裂模式，其原因主要是環(huán)氧樹(shù)脂基體與碳纖維斷裂延伸率較低，材料在沖頭周邊被剪斷，其失效模式以纖維剪切斷裂為主。上面板產(chǎn)生的圓形片狀沖塞被沖頭壓入芯體中，其下方芯體被壓潰斷裂。在此沖擊能量下，面板與芯體分層現(xiàn)象較少。

表2 夾芯板沖擊節(jié)點(diǎn)位置時(shí)損傷模式Table 2 Failure modes of sandwich panels when impact position is node

當(dāng)沖擊能量為50 J時(shí)，夾芯板上面板仍產(chǎn)生形狀規(guī)則的圓形沖孔。芯體發(fā)生拉伸斷裂失效，僅有靠近下面板一側(cè)芯體有少量殘留，但已失去承載能力。從夾芯板截面可見(jiàn)下面板與芯體頂部棱臺(tái)的粘接部位已脫粘，而下面板未見(jiàn)明顯損傷，這說(shuō)明碳纖維的剛度及抗拉強(qiáng)度高，下面板與芯體之間的脫粘要早于下面板失效。下面板輕微隆起，但下面板內(nèi)外兩側(cè)均未見(jiàn)損傷。

當(dāng)沖擊能量達(dá)到100 J時(shí)，夾芯板被穿透。上面板與芯體的損傷模式未發(fā)生變化，沖擊區(qū)域的芯體已完全失效并脫離夾芯板。下面板損傷呈十字狀撕裂，損傷面積大于上面板沖孔面積。十字狀撕裂區(qū)域可見(jiàn)纖維束抽拔、斷裂以及分層損傷。

當(dāng)沖擊能量為150 J與200 J時(shí)，夾芯板被穿透，上面板、芯體的損傷模式與100 J時(shí)沖擊情況相同。下面板呈T字狀撕裂，與100 J時(shí)的十字狀撕裂有所區(qū)別，即相鄰的一組破片并未產(chǎn)生裂紋而分開(kāi)，而是作為一個(gè)整體被掀起，這種現(xiàn)象可能由以下情況造成：兩側(cè)粘接平臺(tái)導(dǎo)致下面板沖擊點(diǎn)周?chē)倪吔鐥l件并不均勻。裂紋在方向，即芯子空腔通道方向易于發(fā)展；裂紋在方向發(fā)展被粘接平臺(tái)所阻礙。因此，在下面板的破壞過(guò)程中，先在方向上產(chǎn)生一字狀拉伸撕裂。一字狀拉伸撕裂兩側(cè)末端成為薄弱區(qū)域，粘接平臺(tái)提供力矩，面板再次向方向一側(cè)撕裂，使下面板被掀起。

表3給出了落錘沖頭沖擊基座位置時(shí)夾芯板的損傷形貌。當(dāng)沖擊能量為30 J時(shí)，上面板產(chǎn)生規(guī)則的纖維剪切斷裂，沖塞面積與沖頭截面積相當(dāng)，兩側(cè)粘接平臺(tái)遏制了沖孔周?chē)謱訐p傷的擴(kuò)展。芯體發(fā)生拉伸斷裂，沖頭下方芯體分層損傷嚴(yán)重，這是由于基座沖擊下芯體呈V字形承載，芯體壁面在壓縮載荷下發(fā)生彎曲，如表3中箭頭a、b所指。芯體壁面彎曲時(shí)，a側(cè)壁面拉伸，b側(cè)壁面壓縮，導(dǎo)致此處壁面內(nèi)產(chǎn)生的層間切應(yīng)力大于層間結(jié)合力，進(jìn)而出現(xiàn)分層現(xiàn)象。當(dāng)沖擊能量為50 J時(shí)，上面板發(fā)生剪切沖塞，下面板發(fā)生拉伸撕裂破壞，芯體的彎曲分層現(xiàn)象更加嚴(yán)重，產(chǎn)生大量片狀碎片。當(dāng)沖擊能量為100 J時(shí)，夾芯板上下面板完全斷裂破壞，基體破碎，芯體分層和拉伸斷裂，下面板拉伸撕裂損傷面積繼續(xù)增大。當(dāng)沖擊能量達(dá)到150 J和200 J時(shí)，夾芯板被貫穿破壞，下面板逐漸呈現(xiàn)十字狀拉伸撕裂的特征，這是拉伸產(chǎn)生的損傷在面板內(nèi)部沿纖維方向擴(kuò)展導(dǎo)致的。

表3 夾芯板沖擊基座位置時(shí)損傷模式Table 3 Failure modes of sandwich panels when impact position is base

通過(guò)對(duì)比夾芯板兩種典型位置的沖擊情況，可發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)沖擊與基座沖擊的上面板失效模式相同，說(shuō)明無(wú)論上面板是否有支撐都未能改變其失效模式。下面板均為拉伸撕裂破壞，均存在基體開(kāi)裂、纖維斷裂以及分層等損傷。但芯體的損傷存在區(qū)別，當(dāng)沖擊能量為30 J時(shí)，節(jié)點(diǎn)沖擊下的芯體沒(méi)有彎曲、分層等現(xiàn)象，近似于脆性壓斷，所以節(jié)點(diǎn)沖擊產(chǎn)生的碎屑大多呈較小的塊狀；基座沖擊下的芯體先彎曲分層，再拉伸斷裂，導(dǎo)致產(chǎn)生的碎屑大多具有明顯分層損傷特征，碎屑較大且為片狀。此外，夾芯板內(nèi)部芯體在厚度上占比達(dá)到了90%，芯層可通過(guò)逐步的壓潰變形、破碎吸收能量。節(jié)點(diǎn)沖擊相對(duì)基座沖擊的芯體破壞深度更淺。當(dāng)沖擊能量為50 J時(shí)，節(jié)點(diǎn)沖擊時(shí)下面板微微隆起，具有承載能力，而基座沖擊時(shí)下面板已出現(xiàn)明顯的拉伸撕裂破壞，失去了承載能力。因此從夾芯板的損傷程度來(lái)看，節(jié)點(diǎn)位置較基座位置具有更高的抗沖擊能力。

2.2 沖擊能量對(duì)夾芯板低速?zèng)_擊響應(yīng)特性的影響

由于夾芯板內(nèi)部芯體結(jié)構(gòu)的影響，夾芯板不同位置的抗沖擊性能及能量累積差別明顯。將未擊穿試件的能量定義為低能(30、50 J)，而將擊穿試件的能量定義為高能(100、150、200 J)。為減少噪聲、改善圖像質(zhì)量，利用4階Savitzky-Golay濾波器處理節(jié)點(diǎn)沖擊與基座沖擊的載荷-位移數(shù)據(jù)。當(dāng)沖擊能量比較低時(shí)，沖擊存在卸載階段，沖頭回彈，所以此階段對(duì)應(yīng)的載荷-位移曲線沿軸負(fù)方向波動(dòng)下降發(fā)展。圖8(a)對(duì)比了夾芯板節(jié)點(diǎn)位置受不同能量沖擊時(shí)的載荷-位移曲線，可將沖擊的加載過(guò)程分為3個(gè)階段。階段Ⅰ為沖頭開(kāi)始接觸夾芯板直至擊穿上面板，此過(guò)程載荷急劇上升，迅速達(dá)到第1個(gè)峰值。隨著上面板發(fā)生剪切斷裂，載荷迅速降低。在階段Ⅰ，載荷-位移曲線幾乎與橫坐標(biāo)垂直，說(shuō)明碳纖維夾芯板剛度大、脆性很強(qiáng)。階段Ⅱ?yàn)樾倔w的破壞階段，芯體被逐步破壞，載荷在較低水平于小范圍內(nèi)發(fā)生振蕩，曲線表現(xiàn)為鋸齒狀。這一芯體損傷擴(kuò)展過(guò)程消耗了大量的沖擊能量，能量曲線增長(zhǎng)穩(wěn)定。沖擊能量高于100 J時(shí)，載荷-位移曲線進(jìn)入階段Ⅲ，此時(shí)載荷已經(jīng)均勻化，沒(méi)有明顯的峰值。當(dāng)載荷達(dá)到下面板所能承受的極限后發(fā)生拉伸撕裂破壞，下面板破壞之后載荷逐漸降低。

圖8 不同沖擊能量下的載荷-位移曲線Fig.8 Load-displacement curves under different impact energies

事實(shí)上，夾芯板被擊穿時(shí)主要失效模式存在3個(gè)階段，并且這與載荷-位移曲線的3個(gè)階段相對(duì)應(yīng)。圖9(a)為沖擊夾芯板節(jié)點(diǎn)沖擊過(guò)程。在階段Ⅰ，上面板發(fā)生剪切斷裂，剪切斷口較為平整，上面板與芯體的粘接平臺(tái)在沖擊載荷的作用下發(fā)生脆性斷裂，平臺(tái)失效。階段Ⅱ?yàn)樾倔w破壞階段，沖頭在加載過(guò)程中通過(guò)上面板的沖塞將載荷施加在芯體壁面上，使兩側(cè)的芯子壁面在壓縮載荷的作用下發(fā)生脆性壓潰斷裂，伴隨有基體破碎、纖維斷裂等損傷。在階段Ⅲ，由于芯體的“人”字形構(gòu)型，下面板在芯體壓潰的過(guò)程中承受載荷，存在損傷擴(kuò)展與累積，造成下面板在沖頭到達(dá)時(shí)已經(jīng)損傷嚴(yán)重，失去部分承載能力，這是圖8中階段Ⅲ載荷曲線均勻化的原因。最終，下面板發(fā)生拉伸撕裂破壞，在此階段還會(huì)發(fā)生下面板和芯子粘接平臺(tái)位置的脫粘損傷。

圖9 沖頭沖擊夾芯板不同位置的損傷機(jī)制Fig.9 Damage mechanism of punch impact sandwich panel at different positions

基座沖擊的載荷-位移曲線可以分為更為明顯的3個(gè)階段，如圖8(b)所示。當(dāng)沖擊能量為30 J時(shí)，載荷-位移曲線主要位于階段Ⅰ，上面板發(fā)生剪切斷裂，形成沖塞。由于基座位置上面板無(wú)芯體支撐，曲線峰值遠(yuǎn)低于節(jié)點(diǎn)沖擊時(shí)的峰值。對(duì)應(yīng)沖擊能量為50 J，載荷-位移曲線可到達(dá)階段Ⅱ。 芯體發(fā)生損傷累積破壞，曲線較為平穩(wěn)，小幅震蕩，這也說(shuō)明芯體是通過(guò)逐步破壞吸收能量的。當(dāng)沖擊能量大于100 J時(shí)，載荷-位移曲線可進(jìn)入階段Ⅲ，由于節(jié)點(diǎn)與下面板共同作用，載荷曲線迅速上升，出現(xiàn)第2個(gè)波峰。隨著沖頭撕裂粘接平臺(tái)、擊穿下面板，載荷值迅速下降，此時(shí)沖頭與夾芯板間僅有摩擦消耗能量。此外，在50 J能量沖擊情況下第2個(gè)波峰出現(xiàn)較早，這是由于面-芯之間的粘接平臺(tái)未失效，部分芯體仍與下面板緊密結(jié)合，兩者結(jié)合增加了結(jié)構(gòu)對(duì)沖頭的阻力，從而增大載荷峰值并使其提前出現(xiàn)，如表3所示。

圖9(b)為夾芯板基座沖擊過(guò)程，主要分為3個(gè)階段：階段Ⅰ——上面板發(fā)生剪切斷裂，沖孔周?chē)a(chǎn)生分層損傷；階段Ⅱ——芯體壁面發(fā)生損傷，沖頭作用在傾斜的壁面上，使其承受面外沖擊載荷，壁面屈曲彎折，最終發(fā)生拉伸斷裂破壞，此過(guò)程伴隨芯體壁面嚴(yán)重的分層損傷；階段Ⅲ——沖頭作用在下面板上，使下面板發(fā)生拉伸撕裂破壞，并伴隨纖維抽拔、斷裂等損傷形式。

圖10給出了夾芯板的能量吸收-時(shí)間曲線。低能沖擊時(shí)，夾芯板最大吸能都達(dá)到了沖頭預(yù)設(shè)能量值，但由于沖擊能量部分轉(zhuǎn)化為夾芯板的應(yīng)變能，沖頭被反向推出沖孔，夾芯板應(yīng)變能再次轉(zhuǎn)化為沖頭動(dòng)能，所以?shī)A芯板最終的能量吸收均有不同程度的降低。因此在低能沖擊條件下，沖頭動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化為夾芯板的應(yīng)變能，部分由夾芯板破碎、斷裂、摩擦等形式耗散。隨后發(fā)生彈性卸載，沖頭回彈，夾芯板的彈性應(yīng)變能又轉(zhuǎn)化為沖頭的動(dòng)能，夾芯板能量吸收降低，曲線的最終能量吸收代表夾芯板總能量耗散。當(dāng)沖擊能量較高時(shí)，夾芯板僅能吸收部分沖擊能量。在沖擊載荷的作用下，夾芯板彈性變形，最終超過(guò)應(yīng)變極限發(fā)生斷裂、破碎。在沖擊過(guò)程中，存在沖頭動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閵A芯板應(yīng)變能，夾芯板部分應(yīng)變能再通過(guò)斷裂、破碎的形式耗散的過(guò)程。沖頭穿透夾芯板后，無(wú)法將應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為沖頭動(dòng)能，因此曲線的最終能量吸收包含夾芯板未釋放的應(yīng)變能。

沖頭在完全穿透夾芯板后仍受到摩擦力的作用，傳感器并未停止記錄。因此根據(jù)夾芯板的最大變形對(duì)高能沖擊下的6組能量吸收曲線進(jìn)行截取，截止沖頭位移為25.5 mm，得到不同沖擊能量下夾芯板最大吸能對(duì)比，如圖11所示。結(jié)合圖10 發(fā)現(xiàn)夾芯板在低能沖擊下均能完全吸收沖頭動(dòng)能，沖擊位置對(duì)夾芯板最大吸能的影響不明顯。夾芯板在高能沖擊下，節(jié)點(diǎn)沖擊的最大吸能均明顯高于基座沖擊。原因可分為兩方面：一方面，節(jié)點(diǎn)沖擊時(shí)芯層為拱形承載，結(jié)構(gòu)剛度更大，破壞所需能量也就更高；另一方面，節(jié)點(diǎn)沖擊與基座沖擊芯層的損傷模式不同，節(jié)點(diǎn)沖擊芯層的脆性斷裂比基座沖擊芯層的壓潰破壞消耗更多能量。此外，沖擊能量為100、150、200 J時(shí)，基座的最大吸能近乎相同，而節(jié)點(diǎn)沖擊的最大吸能隨著沖擊能量的增大而增大，節(jié)點(diǎn)沖擊最大吸能較基座沖擊分別提升了16.1%、17.5%和28.8%。

圖10 夾芯板能量吸收隨沖擊時(shí)間變化關(guān)系Fig.10 Variation relationship of energy absorption of sandwich panels with impact time

圖11 不同沖擊能量下夾芯板的最大吸能Fig.11 Maximum energy absorption of sandwich panels under different impact energies

2.3 沖擊位置對(duì)夾芯板低速?zèng)_擊響應(yīng)特性的影響

夾芯板節(jié)點(diǎn)與基座位置在不同能量沖擊下的載荷-位移和能量吸收-位移曲線對(duì)比如圖12所示。當(dāng)沖擊能量為30 J時(shí)，載荷曲線在沖擊開(kāi)始階段急速上升，在上面板破壞過(guò)程中形成波峰，節(jié)點(diǎn)沖擊峰值明顯大于基座沖擊。隨后進(jìn)入芯體的破壞階段，載荷波動(dòng)較小。能量吸收曲線的上升段對(duì)應(yīng)沖擊的加載階段。此情況下上面板被擊穿，芯體部分被破壞，節(jié)點(diǎn)沖擊的能量吸收速度在加載階段更快。沖擊能量在芯體破壞的過(guò)程中被耗盡，此時(shí)刻對(duì)應(yīng)能量吸收曲線的最高點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)沖擊與基座沖擊沖頭的最大位移分別為5.42 mm和12.53 mm。

當(dāng)沖擊能量為50 J時(shí)，夾芯板節(jié)點(diǎn)沖擊的載荷-位移曲線迅速到達(dá)第1個(gè)峰值，然后降到較低的載荷水平波動(dòng)，對(duì)應(yīng)芯層破壞階段，沖頭剩余能量在芯層破壞階段耗盡。但是基座沖擊沖頭破壞了下面板，載荷出現(xiàn)了第2個(gè)峰值。能量吸收曲線的降低說(shuō)明夾芯板未被完全破壞，仍存在沖擊的卸載階段，夾芯板的應(yīng)變能轉(zhuǎn)化為沖頭的動(dòng)能，將沖頭反向推出。節(jié)點(diǎn)沖擊與基座沖擊沖頭的最大位移分別為12.43 mm和19.45 mm。通過(guò)對(duì)低能沖擊的分析可發(fā)現(xiàn)在相同沖擊能量下，節(jié)點(diǎn)沖擊沖頭的最大位移小于基座沖擊，也就說(shuō)明低能沖擊情況下節(jié)點(diǎn)沖擊夾芯板的破壞深度小于基座沖擊。

高能(100、150、200 J)沖擊下夾芯板均被擊穿，同一位置不同沖擊能量下的載荷-位移及能量吸收-位移曲線差異較小，夾芯板僅能吸收沖頭部分動(dòng)能。觀察載荷-位移曲線可發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)沖擊載荷曲線僅出現(xiàn)單峰，而基座沖擊會(huì)出現(xiàn)高度較為接近的雙峰，但節(jié)點(diǎn)沖擊的峰值要遠(yuǎn)高于基座沖擊。此外，夾芯板節(jié)點(diǎn)沖擊的能量吸收-位移曲線均在基座沖擊曲線上方，表明相同沖擊能量下節(jié)點(diǎn)沖擊能量吸收更高。

通過(guò)圖12可發(fā)現(xiàn)夾芯板節(jié)點(diǎn)沖擊載荷曲線僅出現(xiàn)單峰，而基座沖擊載荷曲線會(huì)出現(xiàn)高度較為接近的雙峰，但節(jié)點(diǎn)沖擊載荷曲線的峰值遠(yuǎn)高于基座沖擊載荷曲線。沖擊過(guò)程中載荷峰值及對(duì)應(yīng)的沖頭位移如表4所示。

表4 載荷峰值及對(duì)應(yīng)的沖頭位移Table 4 Peak load and corresponding punch displacement

圖12 不同沖擊能量下夾芯板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)變化Fig.12 Variation of dynamic response parameters of sandwich panels under different impact energies

載荷峰值能反映褶皺夾芯結(jié)構(gòu)不同位置抵抗沖擊的最大能力，節(jié)點(diǎn)沖擊和基座沖擊所承受的載荷峰值差距顯著，節(jié)點(diǎn)沖擊的載荷峰值比基座沖擊的載荷峰值高40%以上，尤其當(dāng)沖擊能量為100 J時(shí)，提高率達(dá)到122.1%，如圖13所示。節(jié)點(diǎn)沖擊的載荷峰值遠(yuǎn)大于基座沖擊，原因在于以下兩方面。一方面，從夾芯板結(jié)構(gòu)分析，節(jié)點(diǎn)沖擊是面板和芯子共同承載的，并且內(nèi)部芯子形成拱形結(jié)構(gòu)對(duì)上面板起到支撐作用，整體剛度較大，使夾芯板所能承受的載荷峰值更大，而基座沖擊僅由單層面板承載，抗沖擊能力較弱。另一方面，從沖擊歷程分析，節(jié)點(diǎn)沖擊的起始點(diǎn)位置位于上面板與芯體連接處，此時(shí)芯體不存在損傷累積，夾芯板損傷擴(kuò)展還不明顯，上面板與芯體共同抵抗沖擊，載荷容易迅速到達(dá)比較大的峰值。隨后，沖頭在加載過(guò)程中通過(guò)上面板的沖塞將載荷施加在芯體壁面上，使兩側(cè)的芯體壁面在壓縮載荷的作用下發(fā)生脆性斷裂。夾芯板在沖擊過(guò)程中損傷發(fā)展得很?chē)?yán)重，存在損傷累積，使芯體與下面板損傷擴(kuò)展速度高于沖頭沖擊速度，導(dǎo)致沖擊載荷均勻化，載荷出現(xiàn)反復(fù)的上升和下降。當(dāng)沖擊能量比較大時(shí)，夾芯板在沖擊過(guò)程中損傷發(fā)展和累積得很?chē)?yán)重。因此夾芯板節(jié)點(diǎn)沖擊時(shí)，沖擊載荷沒(méi)有出現(xiàn)明顯的第2個(gè)峰值。

圖13 不同沖擊能量下的載荷峰值Fig.13 Peak load under different impact energies

對(duì)于夾芯板基座沖擊，沖擊的起始點(diǎn)位置碳纖維含量最低，也不存在芯體的支撐作用，但此時(shí)上面板不存在損傷積累，因此沖擊載荷可迅速達(dá)到一個(gè)比較小的峰值。隨后沖擊載荷下降，主要為芯體發(fā)生破壞，沖頭通過(guò)上面板沖塞作用在芯體壁面上，芯體發(fā)生面彎曲折斷與拉伸斷裂破壞。需要注意的是，在沖頭沖擊芯體的過(guò)程中，下面板沒(méi)有發(fā)生明顯的損傷擴(kuò)展及累積。因此夾芯板基座沖擊時(shí)，沖擊載荷出現(xiàn)了明顯的第2個(gè)峰值，并且?jiàn)A芯板基座沖擊的兩個(gè)載荷峰值比較接近。

3 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了柱形沖頭低速?zèng)_擊下S型碳纖維褶皺夾芯結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性，分析了夾芯板失效模式，得到以下結(jié)論。

1) 夾芯板的上面板主要發(fā)生纖維剪切斷裂，產(chǎn)生規(guī)則的沖塞，而下面板為拉伸撕裂破壞，基體發(fā)生開(kāi)裂與破碎、纖維斷裂以及分層等。芯層可通過(guò)逐步的壓潰變形、破碎吸收能量。節(jié)點(diǎn)沖擊下的芯體發(fā)生脆性壓潰斷裂，而基座沖擊下的芯體主要發(fā)生拉伸斷裂，存在分層。從夾芯板的損傷程度來(lái)看，節(jié)點(diǎn)位置較基座位置具有更高的抗沖擊能力。

2) 隨著沖擊能量的增加，夾芯板載荷響應(yīng)過(guò)程可以明顯分為3個(gè)階段，與夾芯板主要失效模式的轉(zhuǎn)變相關(guān)。在低能沖擊下，夾芯板沖擊位置對(duì)其最大吸能的影響不明顯，并且?jiàn)A芯板能量吸收隨沖擊能量的增加而增加。在高能沖擊下，節(jié)點(diǎn)沖擊的最大吸能均明顯高于基座沖擊，并且基座沖擊的最大吸能未隨沖擊能量的增加發(fā)生變化，而節(jié)點(diǎn)沖擊的最大吸能隨著沖擊能量的增大而增大。

3) 沖擊位置對(duì)夾芯板載荷響應(yīng)特性存在影響，夾芯板節(jié)點(diǎn)沖擊載荷曲線僅出現(xiàn)單峰，而基座沖擊載荷曲線會(huì)出現(xiàn)高度較為接近的雙峰，但節(jié)點(diǎn)沖擊的載荷峰值明顯高于基座沖擊情況。